一種風(fēng)致振動(dòng)式壓電發(fā)電的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于可再生能源和發(fā)電【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種風(fēng)致振動(dòng)式壓電發(fā)電機(jī)，適用于微傳感器、微執(zhí)行器、微型信號(hào)處理器和發(fā)射器等需從外界環(huán)境俘能進(jìn)行能量補(bǔ)充的低功耗電子設(shè)備；該發(fā)電機(jī)由三個(gè)壓電懸臂梁、質(zhì)量塊、阻流體、永久磁鐵、夾板、支架以及橋式整流電路組成；本發(fā)明利用風(fēng)致阻流體馳振的原理和壓電效應(yīng)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能，所轉(zhuǎn)換的電能通過橋式整流器后存儲(chǔ)于儲(chǔ)能元件，本發(fā)明通過內(nèi)梁和外梁間的耦合作用將外梁的振動(dòng)能傳輸給內(nèi)梁，不但可防止外梁由于大變形而發(fā)生的斷裂破壞，而且可提高內(nèi)梁的輸出電壓；本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、功率密度高，適用于無線傳感器和低功耗器件的輔助供電。
【專利說明】一種風(fēng)致振動(dòng)式壓電發(fā)電機(jī)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 發(fā)明屬于可再生能源和發(fā)電【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種風(fēng)致振動(dòng)式壓電發(fā)電機(jī)， 適用于微傳感器、微執(zhí)行器、微型信號(hào)處理器和發(fā)射器等需從外界環(huán)境俘能進(jìn)行能量補(bǔ)充 的低功耗電子設(shè)備。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前，各類微型傳感器、微型執(zhí)行器、微型信號(hào)處理器和發(fā)射器等低功耗器件不斷 涌現(xiàn)。當(dāng)器件微小型化后，能源設(shè)備的大小就決定了整個(gè)系統(tǒng)的尺寸。沒有微小型化的能 源設(shè)備提供持續(xù)的能量，微小型器件將難以發(fā)揮其微小型化的優(yōu)勢(shì)，甚至失去其微小型化 的本來意義。如果可以制造出高效的微能源替代壽命有限的電池能源，那么微小型器件進(jìn) 入實(shí)用化過程中的許多難題就可以解決。近年來提出的環(huán)境能源收集技術(shù)為解決微小型器 件的能源問題提供了一個(gè)有效途徑。
[0003] 基于風(fēng)致振動(dòng)原理的壓電發(fā)電機(jī)利用風(fēng)載荷引起的微結(jié)構(gòu)振動(dòng)，將器件所在環(huán) 境的風(fēng)能轉(zhuǎn)換為振動(dòng)能，再利用壓電效應(yīng)將振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，實(shí)現(xiàn)對(duì)微小型器件的供 電。目前，收集風(fēng)能的壓電發(fā)電機(jī)采用線性振動(dòng)結(jié)構(gòu)，輸出電壓低、功率密度小、能源收 集效率低。典型的收集風(fēng)能的壓電發(fā)電機(jī)如Yaowen Yang, Liya Zhao, Lihua Tang在 《Applied Physics Letters》102 (2013) : 064105 撰文"Comparative study of tip cross-sections for efficient galloping energy harvesting"（"實(shí)現(xiàn)馳振能高效收集 的阻流體橫截面的對(duì)比研究"《應(yīng)用物理快報(bào)》）。該文對(duì)比研究了阻流體的不同橫截面形 狀和尺寸對(duì)風(fēng)能收集效率的影響關(guān)系。
[0004] A. Abdelkefi，M. R. Hajj，A. H. Nayfeh 在《Nonlinear Dynamics》70 (2012): 1355-1363 撰文 "Power harvesting from transverse galloping of square cylinder，' ("方柱體馳振能的收集"《非線性動(dòng)力學(xué)》）。該文報(bào)道了一種通過方柱體的馳振收集風(fēng)能 的壓電發(fā)電機(jī)。該發(fā)電機(jī)采用線性振動(dòng)結(jié)構(gòu)，且未利用尾流中的卡門渦街，因而輸出電壓和 功率較小。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有風(fēng)致振動(dòng)式壓電發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電壓輸出低、功率密 度低的問題。
[0006] 為此，本發(fā)明提供了一種風(fēng)致振動(dòng)式壓電發(fā)電機(jī)，包括支架、壓電懸臂梁、質(zhì)量塊、 阻流體、永久磁鐵；所述壓電懸臂梁包括內(nèi)梁和外梁，所述外梁的一端與支架固定連接，另 一端與阻流體固定連接，所述內(nèi)梁的一端與支架固定連接，另一端與質(zhì)量塊固定連接；所述 永久磁鐵至少有兩塊，一塊設(shè)置在質(zhì)量塊上，一塊設(shè)置在阻流體上；所述壓電懸臂梁上設(shè)置 有壓電元件。
[0007] 上述壓電懸臂梁還包括長(zhǎng)方形的金屬梁，所述壓電元件通過導(dǎo)電膠分別粘貼于金 屬梁的上下表面；所述壓電元件沿壓電懸臂梁厚度方向極化。
[0008] 上述壓電懸臂梁的一端設(shè)置有通孔，通過螺栓與支架固定連接，另一端是自由 端，設(shè)置有卡槽；內(nèi)梁的自由端通過螺栓與質(zhì)量塊固定連接，外梁的自由端通過螺栓與阻流 體固定連接。所述支架)、壓電懸臂梁、質(zhì)量塊、阻流體上均設(shè)置有通孔，用于將各個(gè)部件通 過螺栓固定連接。
[0009] 上述內(nèi)梁與外梁至少各有1個(gè)。
[0010] 上述內(nèi)梁有1個(gè)；外梁有2個(gè)，內(nèi)梁設(shè)置于2個(gè)外梁中間，并且2個(gè)外梁在內(nèi)梁的 寬度方向?qū)ΨQ，內(nèi)梁與外梁平行設(shè)置。
[0011] 上述質(zhì)量塊由第一質(zhì)量片和第二質(zhì)量片組成，并將內(nèi)梁夾在中間；所述質(zhì)量塊通 過螺栓與內(nèi)梁固定連接；所述第一質(zhì)量片和第二質(zhì)量片夾持內(nèi)梁的內(nèi)側(cè)面的中部設(shè)置有第 一空腔，第一質(zhì)量片和第二質(zhì)量片的第一空腔配合，用于嵌入永久磁鐵。
[0012] 上述阻流體設(shè)置有通孔的一面還設(shè)置有用于安置永久磁鐵的第二空腔，第二空腔 的位置設(shè)定與量塊上第一空腔的配合。
[0013] 上述兩塊永久磁鐵是同極相對(duì)，一塊鑲嵌在質(zhì)量塊上，一塊鑲嵌在阻流體上，使內(nèi) 梁和外梁在振動(dòng)方向形成非線性機(jī)構(gòu)。
[0014] 上述的風(fēng)致振動(dòng)式壓電發(fā)電機(jī)，還包括夾板，所述夾板用于夾持內(nèi)梁和外梁與支 架連接的一端。
[0015] 上述的風(fēng)致振動(dòng)式壓電發(fā)電機(jī)，還包括橋式整流電路和儲(chǔ)能元件，所述橋式整流 電路分別與內(nèi)梁和外梁電連接，用于將內(nèi)梁和外梁產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)換成直流電能，并存儲(chǔ)于 儲(chǔ)能元件。
[0016] 該風(fēng)致振動(dòng)式壓電發(fā)電機(jī)的工作原理是：風(fēng)致振動(dòng)式壓電發(fā)電機(jī)所在環(huán)境的風(fēng) 載作用于阻流體，導(dǎo)致阻流體發(fā)生馳振，阻流體帶動(dòng)外梁一起振動(dòng)，外梁在振動(dòng)激勵(lì)下輸出 電壓；風(fēng)載作用于阻流體，在尾流中形成卡門渦街，卡門渦街作用于內(nèi)梁，導(dǎo)致內(nèi)梁振動(dòng)，內(nèi) 梁在振動(dòng)激勵(lì)下輸出電壓；外梁和內(nèi)梁在磁耦合作用下產(chǎn)生非線性振動(dòng)，提高了壓電發(fā)電 機(jī)的輸出電壓；外梁通過磁耦合將部分能量傳輸給內(nèi)梁，不但可提高內(nèi)梁的輸出電壓，而且 可防止外梁由于大變形而發(fā)生的斷裂破壞；內(nèi)梁和外梁所收集的電能分別通過橋式整流器 轉(zhuǎn)換為直流后，存儲(chǔ)于儲(chǔ)能元件。
[0017] 本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明提供的這種風(fēng)致振動(dòng)式壓電發(fā)電機(jī)，與現(xiàn)有技術(shù)提供 的風(fēng)致振動(dòng)式壓電發(fā)電機(jī)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1、本發(fā)明采用外梁包裹內(nèi)梁構(gòu)成壓電發(fā)電機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，易于實(shí)現(xiàn)。
[0018] 2、本發(fā)明利用外梁在風(fēng)載作用下產(chǎn)生馳振收集風(fēng)能，利用內(nèi)梁在尾流卡門渦街的 作用下產(chǎn)生振動(dòng)收集風(fēng)能，提高了壓電發(fā)電機(jī)的能源密度和能源收集效率。
[0019] 3、本發(fā)明采用永久磁鐵耦合內(nèi)梁和外梁形成非線性壓電發(fā)電機(jī)，提高了發(fā)電機(jī)的 輸出電壓。
[0020] 4、本發(fā)明通過內(nèi)梁和外梁間的耦合作用將外梁的振動(dòng)能傳輸給內(nèi)梁，不但可防止 外梁由于大變形而發(fā)生的斷裂破壞，而且可提高內(nèi)梁的輸出電壓。
[0021] 以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022] 圖1為發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023] 圖2為橋式整流電路示意圖。
[0024] 圖3為內(nèi)梁1或外梁3結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025] 圖4為質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026] 圖5為阻流體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027] 圖6為夾板結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028] 圖7為支架結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029] 圖8為本發(fā)明實(shí)施例中的存儲(chǔ)電容兩端電壓隨風(fēng)速的變化規(guī)律。
[0030] 圖中：1、內(nèi)梁；2、質(zhì)量塊；2-1、第一質(zhì)量片；2-2、第二質(zhì)量片；3、外梁；4、阻流體 5、夾板；6、支架；7、永久磁鐵8、橋式整流電路；9、儲(chǔ)能元件；10、壓電元件；11、金屬梁。

【具體實(shí)施方式】
[0031] 為進(jìn)一步闡述本發(fā)明達(dá)成預(yù)定目的所采取的技術(shù)手段及功效，以下結(jié)合附圖及實(shí) 施例對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】、結(jié)構(gòu)特征及其功效，詳細(xì)說明如下。
[0032] 實(shí)施例1 : 為了解決現(xiàn)有風(fēng)致振動(dòng)式壓電發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電壓輸出低、功率密度低的問題，本發(fā) 明提供的這種風(fēng)致振動(dòng)式壓電發(fā)電機(jī)如圖1所示，包括支架6、壓電懸臂梁、質(zhì)量塊2、阻流 體4、永久磁鐵7 ;所述壓電懸臂梁包括內(nèi)梁1和外梁3,所述外梁3的一端設(shè)置有通孔，與 支架6通過螺栓固定連接，另一端（自由端）設(shè)置有卡槽，與阻流體4通過螺栓固定連接，所 述內(nèi)梁1的一端設(shè)置有通孔，與支架6通過螺栓固定連接，另一端（自由端)設(shè)置有卡槽與質(zhì) 量塊2通過螺栓固定連接。
[0033] 在本實(shí)施例中外梁3設(shè)置有2個(gè)，內(nèi)梁1設(shè)置有1個(gè)，內(nèi)梁1設(shè)置于兩個(gè)外梁3中 間，兩個(gè)外梁3在內(nèi)梁1的寬度方向?qū)ΨQ，內(nèi)梁1與外梁3平行設(shè)置，同時(shí)，所述永久磁鐵7 至少有兩塊，一塊設(shè)置在質(zhì)量塊2的第一空腔內(nèi)，一塊設(shè)置在阻流體4的第二空腔內(nèi)，兩塊 永久磁鐵7是同極相對(duì)，所處位置能夠相互配合；這樣可以確保外梁3隨阻流體一起振動(dòng)， 外梁3在振動(dòng)激勵(lì)下輸出電壓，同時(shí)風(fēng)載作用于阻流體4,在尾流中形成卡門渦街，卡門渦 街作用于內(nèi)梁1，導(dǎo)致內(nèi)梁1振動(dòng)，內(nèi)梁1在振動(dòng)激勵(lì)下也輸出電壓。
[0034] 如圖3所示，上述壓電懸臂梁包括壓電元件10和長(zhǎng)方形的金屬梁11，所述壓電元 件10通過導(dǎo)電膠分別粘貼于金屬梁11的上下表面；所述壓電元件10沿壓電懸臂梁厚度方 向極化，兩片壓電單元的極化方向可相同，其電極形成并聯(lián)結(jié)構(gòu)；兩片壓電單元的極化方向 也可相反，其電極形成串聯(lián)結(jié)構(gòu)；如圖2所示，該風(fēng)致振動(dòng)式壓電發(fā)電機(jī)還包括橋式整流電 路8和儲(chǔ)能元件9,所述橋式整流電路8的A部與外梁3電連接，B部與內(nèi)梁1電連接，用于 將內(nèi)梁1和外梁3產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)換成直流電能，并存儲(chǔ)于儲(chǔ)能元件9。
[0035] 如圖4所示，所述質(zhì)量塊2由第一質(zhì)量片2-1和第二質(zhì)量片2-2組成，并將內(nèi)梁1 夾在中間；所述質(zhì)量塊2通過螺栓與內(nèi)梁1固定連接；所述第一質(zhì)量片2-1和第二質(zhì)量片 2-2夾持內(nèi)梁1的內(nèi)側(cè)面的中部設(shè)置有第一空腔，第一質(zhì)量片2-1和第二質(zhì)量片2-2的第一 空腔配合，用于嵌入永久磁鐵7。
[0036] 所述阻流體4為空心方柱體，如圖5所示；阻流體4的中部設(shè)置有第二空腔，該第 二空腔設(shè)置于與質(zhì)量塊2相對(duì)的一側(cè)阻流體4設(shè)置有通孔的一面，用于安置永久磁鐵7,第 二空腔的位置設(shè)定與量塊2上第一空腔的配合。
[0037] 夾板5為長(zhǎng)方片狀梁，如圖6所示。夾板5上的通孔與支架6 -致，通過螺栓將內(nèi) 梁1和外梁3與支架6固定；內(nèi)梁1和外梁3夾于夾板5和支架6之間相應(yīng)的位置，確保阻 流體4能隨風(fēng)振動(dòng)即可。
[0038] 支架6為一"T"形梁，如圖7所示。支架6上設(shè)置有通孔，通過螺栓與內(nèi)梁1和外 梁3固定連接；另外支架6也可以不需要，根據(jù)實(shí)際需要將其他部件安裝在夠支撐這些部件 的地方即可。
[0039] 所述兩塊永久磁鐵7,其中一塊永久磁鐵7內(nèi)嵌于質(zhì)量塊2,另一塊永久磁鐵7內(nèi) 嵌于阻流體4 ;兩塊永久磁鐵同極相對(duì)，并通過環(huán)氧樹脂分別與質(zhì)量塊2和阻流體4固定粘 接。
[0040] 實(shí)施例2 : 與上述實(shí)施例不同之處，在于與外梁3與內(nèi)梁1的數(shù)量有所變化；外梁3的數(shù)量不一 定局限于2個(gè)，也可以是1或者3個(gè)，其特點(diǎn)是外梁3隨阻流體4 一起振動(dòng)并在激勵(lì)振動(dòng)下 輸出電壓；同樣所述內(nèi)梁1也不局限于是1個(gè)；其特點(diǎn)是風(fēng)載作用于阻流體4,在尾流中形 成卡門渦街，卡門渦街作用于內(nèi)梁1，導(dǎo)致內(nèi)梁1振動(dòng)，內(nèi)梁1在振動(dòng)激勵(lì)下輸出電壓，同時(shí) 質(zhì)量塊2的與永久磁鐵7的數(shù)量也隨著內(nèi)梁1數(shù)量的改變相應(yīng)的也發(fā)生改變。
[0041] 本實(shí)施例可根據(jù)具體的應(yīng)用要求，采用相應(yīng)的尺寸。如下表1列出整個(gè)壓電發(fā)電 機(jī)的一組設(shè)計(jì)參數(shù)。內(nèi)梁1和外梁3中的片狀金屬梁的材料為不銹鋼，壓電元件為壓電陶 瓷，永久磁鐵7磁矩為0.0057 Am2。根據(jù)表1的參數(shù)制作壓電發(fā)電機(jī)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試所制造的發(fā) 電機(jī)在不同風(fēng)速下對(duì)10 μ F的電容充電30 s，所得電容兩端電壓如圖8所示。本發(fā)明提出 的壓電發(fā)電機(jī)與對(duì)應(yīng)的線性壓電發(fā)電機(jī)相比，存儲(chǔ)電容兩端的電壓在風(fēng)速大于4m/s的范 圍，得到很大提1?。
[0042] 表1壓電發(fā)電機(jī)的一組設(shè)計(jì)參數(shù)

【權(quán)利要求】
1. 一種風(fēng)致振動(dòng)式壓電發(fā)電機(jī)，包括支架（6)、壓電懸臂梁、質(zhì)量塊（2)、阻流體（4)、永 久磁鐵（7);其特征在于：所述壓電懸臂梁包括內(nèi)梁（1)和外梁（3)，所述外梁（3)的一端與 支架（6)固定連接，另一端與阻流體（4)固定連接，所述內(nèi)梁（1)的一端與支架（6)固定連 接，另一端與質(zhì)量塊（2)固定連接；所述永久磁鐵（7)至少有兩塊，一塊設(shè)置在質(zhì)量塊（2) 上，一塊設(shè)置在阻流體（4 )上；所述壓電懸臂梁上設(shè)置有壓電元件（10 )。
2. 如權(quán)利要求1所述的風(fēng)致振動(dòng)式壓電發(fā)電機(jī)，其特征在于：所述壓電懸臂梁還包括 長(zhǎng)方形的金屬梁（11 )，所述壓電元件（10)通過導(dǎo)電膠分別粘貼于金屬梁（11)的上下表面； 所述壓電元件（10 )沿壓電懸臂梁厚度方向極化。
3. 如權(quán)利要求1所述的風(fēng)致振動(dòng)式壓電發(fā)電機(jī)，其特征在于：所述壓電懸臂梁的一端 設(shè)置有通孔，通過螺栓與支架（6)固定連接，另一端是自由端，設(shè)置有卡槽；內(nèi)梁（1)的自 由端通過螺栓與質(zhì)量塊（2)固定連接，外梁（3)的自由端通過螺栓與阻流體（4)固定連接； 所述支架（6)、壓電懸臂梁、質(zhì)量塊（2)、阻流體（4)上均設(shè)置有通孔，用于將各個(gè)部件通過 螺栓固定連接。
4. 如權(quán)利要求1所述的風(fēng)致振動(dòng)式壓電發(fā)電機(jī)，其特征在于：所述內(nèi)梁（1)與外梁（3) 至少各有1個(gè)。
5. 如權(quán)利要求4所述的風(fēng)致振動(dòng)式壓電發(fā)電機(jī)，其特征在于：所述內(nèi)梁（1)有1個(gè)；夕卜 梁（3)有2個(gè)，內(nèi)梁（1)設(shè)置于2個(gè)外梁（3)中間，并且2個(gè)外梁（3)在內(nèi)梁（1)的寬度方 向?qū)ΨQ，內(nèi)梁（1)與外梁（3)平行設(shè)置。
6. 如權(quán)利要求1所述的風(fēng)致振動(dòng)式壓電發(fā)電機(jī)，其特征在于：所述質(zhì)量塊（2)由第一質(zhì) 量片（2-1)和第二質(zhì)量片（2-2)組成，并將內(nèi)梁（1)夾在中間；所述質(zhì)量塊（2)通過螺栓與 內(nèi)梁（1)固定連接；所述第一質(zhì)量片（2-1)和第二質(zhì)量片（2-2)夾持內(nèi)梁（1)的內(nèi)側(cè)面的中 部設(shè)置有第一空腔，第一質(zhì)量片（2-1)和第二質(zhì)量片（2-2)的第一空腔配合，用于嵌入永久 磁鐵（7)。
7. 如權(quán)利要求1所述的風(fēng)致振動(dòng)式壓電發(fā)電機(jī)，其特征在于：所述阻流體（4)設(shè)置有通 孔的一面還設(shè)置有用于安置永久磁鐵（7)的第二空腔，第二空腔的位置設(shè)定與量塊（2)上 第一空腔的配合。
8. 如權(quán)利要求1所述的風(fēng)致振動(dòng)式壓電發(fā)電機(jī)，其特征在于：所述兩塊永久磁鐵（7)是 同極相對(duì)，一塊鑲嵌在質(zhì)量塊（2 )上，一塊鑲嵌在阻流體（4)上，使內(nèi)梁（1)和外梁（3 )在振 動(dòng)方向形成非線性機(jī)構(gòu)。
9. 如權(quán)利要求1所述的風(fēng)致振動(dòng)式壓電發(fā)電機(jī)，其特征在于：還包括夾板（5)，所述夾 板（5)用于夾持內(nèi)梁（1)和外梁（3)與支架（6)連接的一端。
10. 如權(quán)利要求1所述的風(fēng)致振動(dòng)式壓電發(fā)電機(jī)，其特征在于：還包括橋式整流電路 (8)和儲(chǔ)能元件（9)，所述橋式整流電路（8)分別與內(nèi)梁（1)和外梁（3)電連接，用于將內(nèi)梁 (1)和外梁（3)產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)換成直流電能，并存儲(chǔ)于儲(chǔ)能元件（9)。
【文檔編號(hào)】H02N2/18GK104113232SQ201410329696
【公開日】2014年10月22日 申請(qǐng)日期:2014年7月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月11日
【發(fā)明者】樊康旗, 車曉寰, 晁鋒波 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)